高純度Mgネジ分解の長期in vivo進化-Mg分解生成物の局所的・全身的効果

Long-term in vivo evolution of high-purity Mg screw degradation - Local and systemic effects of Mg degradation products.

• Yiqiang Yu
• Hua Lu
• Jiao Sun

抄録

マグネシウム（Ｍｇ）ベースの材料は、整形外科および頭蓋顎顔面外科における分解性材料としての使用のための研究の焦点となっている。しかし、腐食速度の制御とバイオセキュリティは、その臨床応用に先立って解決しなければならない重要な課題である。本研究では、高純度マグネシウム（HP Mg、99.99"Zs_202F"wt%）のアズロールスクリューをウサギの脛骨に最大52"Zs_202F"weeksまで移植し、その長期的な生体内での劣化およびその劣化生成物の局所的および全身的な影響を調査した。移植後の様々な時点（4週、12週、26週、52週）で、micro-CT法、組織形態学的分析、局所微小環境試験、血清や尿の生化学的分析などの多くの調査を用いて、一連の長期モニタリングを行った。その結果、HP Mgネジは52"Zs_202F"weeksの間、生体内で一様な分解形態と遅い分解速度を示すことが明らかになった。これらの分解生成物は、局所的なpH値を上昇させるだけでなく、インプラント周囲組織の局所的なMgイオン濃度とガスキャビティ面積を動的に変化させることが明らかになった。さらに重要なことは、インプラント埋入後 26 "Zs_202F"週および 52 "Zs_202F"週において、骨-インプラント界面での新骨形成および骨-インプラント接触率の両方が増加したことである。さらに、26"Zs_202F"週のモニタリング期間中には、血清マグネシウムおよび尿中マグネシウム濃度の異常上昇、肝機能障害および腎機能障害は認められなかった。これらの長期的な調査結果から、HP Mgネジは分解速度が遅く、望ましい骨修復能力を有し、長期的な局所的・全身的なバイオセーフティ性を有しており、結果として骨固定装置としての応用の可能性があることが示唆された。

Magnesium (Mg) based materials are the focus of research for use as degradable materials in orthopedics and cranio-maxillofacial surgery. However, corrosion rate control and biosecurity are still the key issues that need to be solved prior to their clinical applications. In the present study, as-rolled high-purity magnesium (HP Mg, 99.99 wt%) screws were implanted in rabbit tibiae for up to 52 weeks in order to investigate their long-term in vivo degradation and the local and systemic effects of their degradation products. A series of long-term monitoring were performed at various time points (4w, 12w, 26w and 52w) after implantation using numerous investigations such as micro-CT assay, histomorphometric analysis, local micro-environment testing and biochemical analysis of serum and urine. It was revealed that HP Mg screws had a uniform degradation morphology and a slow degradation rate in vivo during the period of 52 weeks. Their degradation products not only increased the local pH values but also changed the local Mg ions concentration and gas cavity area in the peri-implant tissues in a dynamic manner. More importantly, both the new bone formation and bone-implant contact rate were increased at bone-implant interfaces at 26 weeks and 52 weeks post-implantation. Furthermore, neither abnormal elevation of serum magnesium and urine magnesium level, nor liver and kidney dysfunction were detected during the monitoring period of 26 weeks. All these results of long-term investigation suggest that HP Mg screws possess a slow degradation rate, desirable bone repair capacity and long-term local/systemic biosafety, and consequently may have good potential for application as bone fixation devices.

意義の表明:

Mg合金の耐食性制御やバイオセキュリティの問題から、臨床応用はある程度制限されていた。Mg系材料の耐食性を向上させるためには、Mgの精製も有効な手段の一つである。しかし、高純度マグネシウム（HP Mg）の長期的な生体内分解とその分解生成物の局所的・全身的な影響については、まだ十分な研究がなされておらず、HP Mgの臨床応用の見通しを決定する上で重要な要素となっている。特にインプラント周囲の微小環境の変化は、局所的な生理反応や骨修復に大きな影響を与える可能性がある。本研究では、時空間の視点から、HP Mg ねじの生体内劣化挙動の長期的な進化傾向を明らかにした。さらに、局所的な微小環境の動的変化や骨修復の長期進化過程だけでなく、全身的な動的反応も体系的に明らかにした。本研究の結論は、HP Mgの分解の長期的な生体内進化とその分解生成物の局所的/全身的な影響をさらに理解し、生分解性骨修復材料の設計の指針となる可能性がある。

STATEMENT OF SIGNIFICANCE: The corrosion resistance control and biosecurity issues of Mg alloys limited their clinical applications in some extent. Mg purification is another effective way to improve corrosion resistance of Mg-based materials. However, the long-term in vivo degradation of high-purity magnesium (HP Mg) and the local and systemic effects of its degradation products have not been fully investigated yet, which are the key factors to determine the clinical application prospect of HP Mg. Especially the changes in peri-implant microenvironment may greatly influence the local physiological response and bone repair. In this study, the long-term evolution tendency of in vivo degradation behavior of HP Mg screws was discovered from the view of space-time. Furthermore, not only the dynamic changes of local microenvironment and the long-term evolution process of bone repair, but also the dynamic systemic responses were systematically revealed. Conclusions of this study may help us to further understand the long-term in vivo evolution of HP Mg degradation and the local/systemic effects of its degradation products and help to guide the design of biodegradable bone fixation material.

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